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【芯智驾】碳化硅全球争夺战升级:国产厂商的突破之机在哪里?

来源:爱集微

#芯智驾#

#碳化硅#

09-25 10:43

编者按:智驾──集萃产学研企名家观点,全面剖析AI芯片、第三代半导体等在汽车“大变形”时代的机会与挑战

集微网报道,安森美拟以415亿美元并购碳化硅厂商GTAT,意法半导体在8英寸碳化硅晶圆技术上取得了突破……过去一两个月,国际大厂围绕第三代半导体碳化硅布局动作不断。

在IGBT即将逼近硅基材料的性能极限,以及全球碳中和的大语境下,对于更智能高效的能源生产、传输、配送、储存和使用方式成为后摩尔时代的刚需。而以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带(第三代)半导体凭借优异的物理特性,天然适合制作高压、高频、高功率的半导体器件。与此同时,以电动汽车为代表的下游市场应用需求的爆发,也进一步搅动功率半导体上游产业链格局。

在下游需求增长远大于产能的产业现状下,某种意义上,碳化硅正成为下一步全球半导体竞争中的重要战略物资,全球厂商的竞争卡位赛已悄然升级。国内产业链如何把握这样一个后摩尔时代“换档期”所释放的中国机会?

车用SiC放量元年:全球产业链并购、扩产提速

中泰证券分析师在近期的一份研报中预计,2021年汽车领域碳化硅有望进入放量元年。电动汽车的快速发展成为当前驱动功率半导体需求的最大增量,其对于MOSFET、IGBT、SiC等各方面需求都有较大提升。Gartner在一份研究报告中也指出,5G基础设施、电动汽车等应用端需求的爆发为宽禁带半导体(第三代半导体)带来强劲发展动力,预计可望到2024年带来超过40亿美元的收入,并带来新的颠覆机会。Yole则预测,SiC市场在2023年之前可保持44%的增长速度,到2025年,新能源汽车和充电桩领域的SiC市场将达到17.78亿美元,约占SiC总市场规模的七成左右。

数据来源:YOLE, 海通证券

目前,SiC最大的应用市场在新能源汽车的功率控制单元、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等。在电动汽车中,采用碳化硅芯片,将使电驱装置的体积缩小为五分之一,电动汽车行驶损耗降低60%以上,相同电池容量下里程数显著提高。

已有多家厂商推出了面向混动(HEV)或纯电动(EV)汽车充电器的SiC功率器件。除了特斯拉此前率先在其Model 3量产车型上使用意法半导体和英飞凌的SiC逆变器外,现代汽车也已经宣布将在其下一代电动汽车中使用英飞凌制造的SiC 芯片。2020年7月,国产品牌比亚迪新能源汽车“汉”的电机控制器中也开始应用比亚迪自主研发制造的SiC MOSFET模块,法国汽车制造商雷诺则在今年6月与意法半导体签署了一项供货协议,将于2026 年开始接收SiC芯片。

下游应用的逐步爆发,倒逼上游竞争卡位的加剧。从全球范围来看,除了近期的安森美对GTAT的并购案,去年以来国际大厂展开了围绕SiC的大手笔布局,在此之前,英飞凌、环球晶都和GTAT签署了长期合约。研究机构Gartner的一位半导体行业高级分析总监对集微网指出,此次安森美的收购之举符合行业整合和垂直整合的整体趋势。“碳化硅衬底的成本和产量将长期成为第三代半导体行业的关键竞争核心,这也将推动产业链上游的进一步整合并购趋势。”该分析师指出。

目前全球主要功率半导体厂商纷纷加大对SiC的布局投入,包括碳化硅国际标杆企业美国科锐(Cree)公司,以及美国贰陆公司(II-VI)、日本罗姆等国际大厂都公布了各自的扩产计划,预计2022年前后产能将逐步释放。其中,科锐预计在2024年前产能扩充30倍,罗姆在2024年前产能扩充16倍。此外,科锐、英飞凌、罗姆、X-Fab 等均已实现6英寸产线量产,预计2022年升级到8英寸产线。科锐目前能够批量供应4英寸至6英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底,且已成功研发并开始建设8英寸产品生产线。意法半导体也于今年7月宣布制造出首批8英寸SiC晶圆片。

国内企业在衬底、外延和器件方面均有所布局,包括SiC 衬底材料厂商露笑科技、天科合达半导体、山东天岳;功率器件厂商斯达半导体、华润微、扬杰科技、泰科天润等;代工龙头三安集成(三安光电子公司) 在过去一两年里也有不少扩产消息(见下图)。

(集微网根据公开信息整理,不完全统计)

在上游供给端加速整合的同时,各厂商也积极与下游厂商合作,绑定需求以抢占市场份额。东兴证券在一份研报中指出,终端应用企业与中游器件企业合作趋势明显,以汽车集团牵头的车用半导体推进迅猛,第三代半导体正式进入汽车供应链。

公开资料显示,科锐分别与英飞凌、意法半导体、安森美等中游企业签订长期供货协议,以保SiC衬底供给;特斯拉的 Model 3电机控制器的逆变器中采用了意法半导体的SiC功率器件;德国大陆集团子公司Vitesco Technologies将为现代汽车提供 800V 碳化硅逆变器;科锐和英飞凌分别与大众汽车合作,成为其FAST项目SiC合作伙伴。

下游需求增长远大于产量 中国厂商如何分一杯羹?

但即便全球厂商都在加速扩产,SiC仍面临巨大产能缺口,并且SiC器件的需求增长明显大于产量增长。“由于SiC的生产瓶颈尚未解决,原料晶柱的质量不稳定存在良率问题、 SiC器件的成本过高等因素,SiC整体市场无法大规模普及。”贺利氏电子中国区副总裁沈仿忠此前对集微网指出。

SiC产业链分为上中下游三个环节:上游包括衬底和外延片的制备;中游环节包括芯片、器件或模块的设计、制造和封测;下游环节则是终端应用。其中衬底的加工难度最高,也是SiC产业链的核心环节,价值量占比也最高。器件方面,碳化硅于硅基器件的原理相似,但是在材料和制造难度上都要高于传统硅基。

(碳化硅器件产业链各环节主要参与者)

沈仿忠指出,材料和设备目前是第三代半导体领域的主要技术瓶颈,“就SiC来说,目前长晶圆的生长速度依然很慢,而且良率较低,导致成本依然高企。因而成本和工艺上的突破是碳化硅等第三代半导体迅速导入的关键。”

据了解,碳化硅衬底的尺寸主要有2英寸(50mm)、3英寸(75mm)、4英寸(100mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm)等规格,与硅晶圆类似,大尺寸晶圆也是碳化硅衬底的发展方向。目前,国内外主要企业集中生产4英寸、6英寸SiC衬底。碳化硅晶体的生长是最难破解的关键技术。衬底尺寸越大,单位衬底可制造的芯片数量越多,边缘浪费越小,单位芯片成本越低。据悉,目前国内主要半绝缘衬底集中在2-4英寸,导电型衬底从4英寸向6英寸在逐步过渡,6英寸衬底开始规模化生产或者开始建设产线,2-3年内会有大量产线实现量产,8英寸导电型衬底少数企业研发成功。而同时期的硅晶圆已经由200mm(8英寸)向300mm(12英寸)进发。这都让SiC功率器件的量产面临极大挑战。

数据显示,目前全球SiC硅晶圆总年产能约在40-60万片。而需求端的增长正呈快速上升之势。以特斯拉Model 3主逆变器为例,需要24个电源模块,每个电源模块均基于两个SiC MOSFET裸片,每辆汽车总共有48个SiC MOSFET裸片。按此估算,平均2辆特斯拉的纯电动车就需要一片150mm SiC晶圆。Wedbush证券分析师Dan Ives由此称,到2022年特斯拉的交付量可能会达到100万辆,这意味着仅特斯拉就将消耗掉全球SiC晶圆总产量。再叠加一系列因5G、Wi-Fi 6布局而衍生的新兴应用也会持续拉升相关SiC功率器件的需求,未来一到两年,供应链供需失衡态势几无悬念。

那么中国产业链的机会有哪些?Gartner的上述分析总监认为,中国厂商在围绕碳化硅衬底生产上正在缩短与国外差距,接下去若能在6英寸和8英寸的SiC晶圆良率和成本上进一步实现突破是竞争的关键。半导体时代产业数据中心出具的《2020年中国第三代半导体碳化硅晶片行业分析报告》显示:2020上半年全球半导体SiC晶片市场份额,美国CREE出货量占据全球45%,日本罗姆子公司SiCrystal占据20%,II-VI占13%;中国企业天科合达的市场占有率由2019年3%上升至2020年5.3%,山东天岳占比为2.6%。

同时,Gartner认为,在SiC功率模块上中国厂商也有机会,这涉及与应用紧密结合的电子设计以及规模化的组装工艺,而这一层面上,产业链的配套整合更加充分可以为国内半导体厂商在SiC时代带来以往不具备的发展机会。

东兴证券也在研报中指出,以往国内半导体厂商追赶困难一个原因是没有足够多的试用和上线机会,难以用客户的反馈和问题来正向激励研发。

而SiC等第三代半导体器件主要的应用领域如新能源车、光伏和高铁等领域,未来的主战场都集中在中国,国内功率半导体厂商也与国内车企和家电企业等进行了配套和产业合作,国产SiC器件逐渐导入终端产品供应链,也为国内企业带来更多试用、改进的机会。

不过,上述Gartner高级分析总监也指出,尽管需求庞大,但是SiC产业的进入门槛依旧很高,这其中包括SiC制造工艺本身的难度以及大量的资金投入,这意味着,这一领域依然只有少数玩家。

(校对/小山)

责编: Aki

Carrie

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集微网IC频道副主编,关注人工智能、智能制造、智驾及AIoT产业链。

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